(57)【要約】    【課題】  コンクリート表面に塗装など仕上げ材の有無に関係なく、コンクリート中に大気中の二酸化炭素が入ることを防止できるセメント組成物を提供する。    【解決手段】  ＯＰＣ、ＷＰＣ、高炉セメント、ＦＡセメント等のセメントに、重量部でセメント１００に対して１００の硅砂（５号）が配合されたセメント組成物について、硅砂の一部を重量部でセメント１００に対して０より大きく１０以下のガラス粉で置換する。このガラス粉は、ソーダ石灰系ガラスを主成分とする廃ガラスを破砕し、１０μｍ以下の粒度のものが９０質量％であって、平均粒径が７μｍ以下となるよう粒度調整されたものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントと骨材とから成るセメント組成物において、前記骨材の一部がガラス粉で置換されたことを特徴とするセメント組成物。
【請求項２】
前記ガラス粉は、ソーダ石灰系ガラスが主成分であることを特徴とする請求項１記載のセメント組成物。
【請求項３】
前記ガラス粉は、重量部でセメント１００に対して０より大きく１０以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のセメント組成物。
【請求項４】
前記ガラス粉は、重量部でセメント１００に対して０．１以上５以下であることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物。
【請求項５】
前記ガラス粉は最大１ｍｍの粒度であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセメント組成物。
【請求項６】
前記ガラス粉は粒度が１０μｍ以下のものが７０質量％以上であることを特徴とする請求項５記載のセメント組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セメント組成物に関し、特にコンクリート構造物に使用されるセメント組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、コンクリートは安価に大きな構造物を構築することができる優れた材料として広く用いられている。しかしながら、中性化したコンクリート構造物は劣化したり膨張破壊したりするため、近年、土木・建築業界では、中性化抑制効果の高いセメント組成物が求められている。
【０００３】
コンクリートの中性化による劣化及び膨張破壊は、以下のようなメカニズムで生じると考えられている。まず、コンクリート中の水酸化カルシウムが大気中の二酸化炭素と反応して炭酸化され、コンクリート組織が表面からボロボロになったり、亀裂等の劣化が生じる。さらに、コンクリート表面に生じた亀裂から侵入し、コンクリート内部の鉄筋にまで至った炭酸ガスにより、コンクリート内部の鉄筋が錆びると、この錆には膨張性があるためコンクリート内部に応力が発生し、コンクリート自体を膨張破壊させる。
【０００４】
このようなコンクリートの中性化による劣化及び膨張破壊を防ぐべく、以下のような従来技術が開示されている。
【０００５】
例えば、セメント硬化時間が長い程コンクリートの中性化速度が速いことから、セメントを一般的に用いられているポルトランドセメントと比べて硬化時間が短い早強セメントにする技術（第１の従来技術）、人工軽量骨材等透気性が大きい骨材を用いたコンクリートの中性化速度が速いことから、骨材を透気性の小さい川砂にする技術（第２の従来技術）、二酸化炭素が吸着する水をセメント内から減らすためにＡＥ減水材をセメントに添加する技術（第３の従来技術）、及び大気中の二酸化炭素を遮断するためにコンクリート表面を塗装したり、タイルや石材等の仕上げ材をコンクリート表面に施工したりする技術（第４の従来技術）がある（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】岸谷  他著「コンクリート構造物の耐久性シリーズ『中性化』」技報堂出版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の第１〜第３の従来技術は、コンクリートの中性化速度を遅くするだけであり、コンクリートの中性化自体を無くするものではない。また、上述の第４の従来技術のうちコンクリート表面を仕上げ材で施工する方法は、コンクリート構造物の全面を隙間無く施工するのは困難であるため、コンクリート中に大気中の二酸化炭素が入ることを完全には防止できない上に、一般に施工にコストがかかる。
【０００７】
一方、上述の第４の従来技術のうちコンクリート表面を塗装する方法は、コンクリート中に大気中の二酸化炭素が入ることを防止できるためコンクリートの中性化自体を無くすことができる。しかし、コンクリート構造物の全面を塗装するのは困難であり、また数年ごとに再塗装しなくてはならないといった点で完全でないという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、コンクリート表面に塗装など仕上げ材の有無に関係なく、コンクリート中に大気中の二酸化炭素が入ることを防止できるセメント組成物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載のセメント組成物は、セメントと骨材とから成るセメント組成物において、前記骨材の一部がガラス粉で置換されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載のセメント組成物は、請求項１記載のセメント組成物において、前記ガラス粉は、ソーダ石灰系ガラスが主成分であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載のセメント組成物は、請求項１又は２記載のセメント組成物において、前記ガラス粉は、重量部でセメント１００に対して０より大きく１０以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載のセメント組成物は、請求項３記載のセメント組成物において、前記ガラス粉は、重量部でセメント１００に対して０．１以上５以下であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載のセメント組成物は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセメント組成物において、前記ガラス粉は最大１ｍｍの粒度であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載のセメント組成物は、請求項５記載のセメント組成物において、前記ガラス粉は粒度が１０μｍ以下のものが７０質量％以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載のセメント組成物によれば、セメント組成物の骨材の一部がガラス粉で置換されたので、コンクリート中の空隙にセメントとガラスの反応により生じるゲル状化合物が充填されて、中性化防止効果を発揮することができ、コンクリート表面に塗装など仕上げ材の有無に関係なく、コンクリート中に大気中の二酸化炭素が入ることを防止できる。
【００１６】
請求項２記載のセメント組成物によれば、ガラス粉は、ソーダ石灰系ガラスが主成分であるので、若干の不純物を含む廃ガラスを材料として用いることができる。
【００１７】
請求項３記載のセメント組成物によれば、ガラス粉は、重量部でセメント１００に対して０より大きいので、中性化防止効果を確実に発揮させることができ、また、重量部でセメント１００に対して１０以下であるので、セメントとの反応の遅延やアルカリ骨材反応等により亀裂が生じるのを確実に防ぐことができる。
【００１８】
請求項４記載のセメント組成物によれば、ガラス粉は、重量部でセメント１００に対して０．１以上５以下であるので、中性化防止効果を顕著とすることができる。
【００１９】
請求項５記載のセメント組成物によれば、ガラス粉は最大１ｍｍの粒度であるので、セメント特有のアルカリ骨材反応が起こる可能性を低くし、それによる破壊や耐久性低下を防止できる。
【００２０】
請求項６記載のセメント組成物によれば、ガラス粉は粒度が１０μｍ以下のものが７０質量％以上であるので、コンクリートに対する中性化防止効果を顕著とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、セメントと骨材とから成るセメント組成物において、骨材の一部がガラス粉で置換されると、コンクリート中の空隙にセメントとガラスの反応により生じるゲル状化合物が充填されて、中性化防止効果を発揮することができ、コンクリート表面を塗装など仕上げ材の有無に関係なく、コンクリート中に大気中の二酸化炭素が入ることを防止できることを見出した。
【００２２】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係るセメント組成物を用いたコンクリート作成処理の手順を示すフローチャートである。
【００２５】
図１において、まず、廃ガラスを準備する（ステップＳ１）。この準備される廃ガラスは、板ガラス（フロートガラス、型板ガラス、網入りガラス、Ｌｏｗ−Ｅガラス、鏡等）、ビンガラス（色ガラスを含む）及び蛍光灯ガラス等のソーダ石灰系ガラスであればよい。また、建築解体廃ガラス、市中流通廃ガラス及び工場循環カレット等若干の不純物を含むものであってもよい。
【００２６】
次いで、この廃ガラスを水平式ロールクラッシャーを用いて破砕してガラス粉を作成し（ステップＳ２）、このガラス粉の粒度調製を行い、最大粒度が１ｍｍ以下のガラス微粉を取得する（ステップＳ３）。最大粒度が１ｍｍより粗いと、セメント特有のアルカリ骨材反応が起こる場合があるからである。また、ガラス粉の粒度は、１０μｍ以下のものが７０質量％以上であることが好ましい。後述するセメント組成物から得られたコンクリートに対する中性化防止効果がかかる範囲で顕著となるからである。
【００２７】
そして、骨材をステップＳ３で取得されたガラス微粉で置換する（ステップＳ４）。このガラス微粉は、重量部で、セメント１００に対して０より大きく１０以下である。ガラス微粉がセメント中に全く添加されていない場合、セメントとの反応が過少で、中性化防止効果が発揮できないからであり、ガラス微粉が重量部でセメント１００に対して１０より多く添加されている場合、セメントとの反応の遅延やアルカリ骨材反応等によりこのセメントで得られるコンクリートの表面に亀裂が生じる恐れがあり、コンクリートの強度低下を招くからである。また、このガラス微粉は重量部でセメント１００に対して０．１〜５の範囲であるのがより好ましい。後述するセメント組成物から得られたコンクリートに対する中性化防止効果がかかる範囲で顕著となるからである。
【００２８】
次いで、ステップＳ４でガラス微粉で一部置換された骨材とセメントとをミキサーを用いて軽く混合し、セメント組成物を作成する（ステップＳ５）。ここで、セメントの種類は、特に限定されるものでなく、普通ポルトランドセメント（以下「ＯＰＣ」という。）、白色ポルトランドセメント（以下「ＷＰＣ」という。）、早強セメント等のみならず、中性化速度の速い高炉セメント、フライアッシュセメント（以下「ＦＡセメント」という。）、シリカセメント等であってもよい。また、ステップＳ４によりガラス微粉で一部置換された骨材のセメントに対する配合比は特に限定されるものではない。
【００２９】
その後、ステップＳ５で作成されたセメント組成物に水を練り混ぜて一体化してコンクリートを作成する（ステップＳ６）。このときに練り混ぜられる水のセメントに対する配合比は特に限定されるものではない。
【００３０】
以下、ステップＳ６で作成されるコンクリートの二酸化炭素による侵食防止メカニズムについて説明する。
【００３１】
まず、予備実験として以下の実験を行った。
【００３２】
ＯＰＣ抽出液（ＯＰＣ１００＋水５００（重量部））とガラス微粉抽出液（上述のガラス微粉１００＋水５００（重量部））の夫々の上澄液（同量）を混合した混合液を作成する。すると、すぐに白いゲル状の反応物が得られた。その後、これを濾過して反応物の性質を調べた。
【００３３】
反応物はＮａ−Ｃａ水和物で、水に不溶、炭酸水にも何ら反応を示さないという結果が得られた。
【００３４】
この予備実験の結果より、ステップＳ６で作成されたコンクリートは、その空隙に反応物であるＮａ−Ｃａ水和物が継続的に充填され、大気中の二酸化炭素の侵食を防止しているために、中性化防止効果が発揮されていると考えられる。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の実施例について説明する。
（中性化進行度実験）
表１に示すＷＰＣ、ＦＡセメント及び高炉セメント（Ｃ種）の各種セメントに、重量部でセメント１００に対して１００の硅砂（５号）が配合されたセメント組成物について、硅砂の一部を表１に示す置換量のガラス粉で置換した実施例１〜５及び比較例１〜７のサンプルのセメント組成物を作成する。ここで硅砂の一部と置換されるガラス粉は、ソーダ石灰系ガラスを主成分とする廃ガラスを破砕し、１０μｍ以下の粒度のものが９０質量％であって、平均粒径が７μｍ以下となるよう粒度調整したものである。
【００３６】
各サンプルのセメント組成物について、重量部でセメント１００に対して表１に示す値の水を入れて練り混ぜ、３０ｍｍ×５０ｍｍ×７０ｍｍの大きさのコンクリート２０１に成型する。さらに、このコンクリート２０１の中央部分に長さ３ｍｍ、φ１０ｍｍの鉄芯２０２を一部出した状態で埋め込んだ（図２）。
【００３７】
脱型後４週間水中養生した後、室内に一定期間置き、ハンマーでコンクリート２０１を破断させた。ここで、室内は、空調設備無く、外部との出入り自由な実験棟内であり、冬場はガスストーブによる暖房がされるという環境である。
【００３８】
その後、図３に示すように、コンクリート２０１の破断面に１％のフェノールフタレイン・アルコール液を吹きつけると、破断面は、中性化しておらずアルカリ性を維持している着色部分３０１と、中性化した白色部分３０２に色分けされる。この着色部分３０１と白色部分３０２の境界線からコンクリート２０１の表面までの深さｘｍｍを中性化深さとして測定した。また、鉄芯２０２のコンクリート２０１に埋設されていた部分の錆の程度を目視評価した。
【００３９】
以上、実施例１〜５及び比較例１〜７の結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
表１において、鉄芯２０２がコンクリート２０１に埋設された部分に錆が全く発生していなかったサンプルを「◎」とし、長手方向において１ｍｍ程度の範囲で発生していたサンプルを「○」とし、２ｍｍ程度の範囲で発生していたサンプルを「△」とし、それ以上の範囲で発生していたサンプルを「×」とした。
【００４２】
表１に示すように、セメントがＷＰＣの場合、ガラス粉で硅砂を全く置換しないと、比較例１に示すように、錆の程度は「○」であったが、中性化深さは２ｍｍと中性化が進んでいることがわかった。
【００４３】
また、重量部でセメント１００に対してガラス粉が２０〜１００である場合、比較例２〜５に示すように、ガラス粉で置換する割合が高くなるほど錆の程度は悪くなり、中性化深さも進み、さらには亀裂の程度もひどくなることがわかった。これはガラス粉の配合が硅砂置換という形をとったためにコンクリートの収縮亀裂が発生したものと考えられる。
【００４４】
その一方、重量部でセメント１００に対してガラス粉が２〜５である場合、実施例１，２に示すように、錆の程度は「◎」であり、また中性化深さも０ｍｍであることから、中性化の進行を防止できることがわかった。
【００４５】
また、中性化速度の速い高炉セメントやＦＡセメントの場合、ガラス粉で硅砂を全く置換しない場合、比較例６，７に示すように、錆の程度は「×」であり、また中性化深さも４〜５ｍｍ程度と悪く、さらには亀裂も生じることがわかった。その一方、重量部でセメント１００に対してガラス粉が２〜５である場合、実施例３〜５に示すように、錆の程度は「◎」であり、また中性化深さも０ｍｍであることから、中性化の進行を確実に防止できることがわかった。
（中性化による劣化評価実験）
表２に示すＯＰＣ及び高炉セメント（Ｃ種）の各種セメントに、重量部でセメント１００に対して１００の硅砂（５号）が配合されたセメント組成物について、硅砂の一部を表２に示す置換量のガラス粉で置換した実施例６〜１０及び比較例８，９，１１のサンプルを作成する。このガラス粉は、ソーダ石灰系ガラスを主成分とする廃ガラスを破砕し、１０μｍ以下の粒度のものが９０質量％であって、平均粒径が７μｍ以下となるよう粒度調整したものである。
【００４６】
また、硅砂の一部を表２に示す置換量のガラス粗粒で置換して、実施例１１，１２、比較例１０のサンプルのセメント組成物を作成した。具体的には、実施例１１のサンプルのガラス粗粒は、粒径８５０〜１２５μｍのものが３０質量％、粒径１２５〜１０μｍのものが６７質量％、粒径１０μｍ以下のものが３質量％となるよう粒度調整されたガラス粉であり、実施例１２のサンプルのガラス粗粒は、粒径１０μｍ以下のものが７０質量％で、平均粒径が９μｍ以下となるよう粒度調整されたガラス粉であり、比較例１０のサンプルのガラス粗粒は、粒径１６５０〜８５０μｍのものが２５質量％、粒径８５０〜１２５μｍのものが７５質量％となるよう粒度調整されたソーダ石灰系ガラスを主成分とするガラス粉である。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
各サンプルのセメント組成物について、重量部でセメント１００に対して表２に示す値の水を入れて練り混ぜ、大板のコンクリートを成型し、硬化後５０ｍｍ×２６０ｍｍ×厚み１５ｍｍに切断研磨した。
【００４９】
脱型後４週間水中養生した後、室内に１月置いたとき（初期状態）、１年置いたとき、２年置いたとき、３年置いたときに、実施例６〜１１及び比較例８〜１１のサンプルについて島津製作所オートグラフＡＧ−５０００Ｅの用いた曲げ強度試験行い、また、中性化進行度実験で行った方法（図３）で中性化深さを測定した。ここで、室内は、空調設備無く、外部との出入り自由な実験棟内であり、冬場はガスストーブによる暖房がされるという環境である。
【００５０】
以上、実施例６〜１１及び比較例８〜１１の結果を表３に示す。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
表３において、中性化深さ０ｍｍであったサンプルを「◎」とし、中性化深さ１ｍｍのサンプルを「○」とし、中性化深さ２ｍｍのサンプルを「△」とし、中性化深さがそれ以上のサンプルを「×」とした。
【００５３】
表３に示すように、セメントがＯＰＣの場合、ガラス粉で硅砂を全く置換しないと、比較例８に示すように、中性化深さは初期状態では「◎」であったものが室内に３年置くと「△」となり、中性化が進むことがわかった。また、曲げ強度も実用として使用可能な範囲である１ＭＰａ以上ではあるが、室内放置された時間がなるにつれて悪くなっていくことがわかった。
【００５４】
また、重量部でセメント１００に対してガラス粉が２０〜１００である場合も、比較例９に示すように、中性化深さは初期状態では「◎」であったものが室内に３年置くと「×」となり、中性化が進むことがわかった。また、曲げ強度も実用として使用可能な範囲である１ＭＰａ以上ではあるが、室内放置された時間がなるにつれて悪くなっていくことがわかった。
【００５５】
その一方、重量部でセメント１００に対してガラス粉が２〜１０である場合、実施例６〜８に示すように、中性化深さは室内に３年間置いたサンプルも初期状態と同様に「◎」であり、中性化が進んでいないことがわかった。また曲げ強度も室内に３年置いても初期状態と比べてほとんど変化していないことがわかった。
【００５６】
また、セメントがＯＰＣであり、重量部でセメント１００に対してガラス粉が５以下である場合であっても、最大粒度が１ｍｍ以下である実施例１１については、室内に３年置いても曲げ強度は初期状態と比べてほとんど変化していなかったが、最大粒度が１ｍｍより大きい比較例１０については、室内に置く期間が長い程、実用として使用可能な範囲であるが、曲げ強度が悪くなることがわかった。これは、粒度が１ｍｍより粗いとセメント特有のアルカリ骨材反応が起こる可能性が高く、それによる破壊や耐久性低下が生じるためと考えられる。
【００５７】
また、中性化速度の速い高炉セメントについても、ガラス粉で硅砂を全く置換しない場合、比較例１１に示すように、中性化深さは初期状態では「◎」であったものが室内に３年置くと「×」となり、中性化が進むことがわかった。また、曲げ強度も実用として使用可能な範囲であるが、室内放置された時間がなるにつれて悪くなっていくことがわかった。その一方、重量部でセメント１００に対してガラス粉が２〜５である場合、実施例９,１０に示すように、中性化深さは室内に３年間置いたサンプルも初期状態と同様に「◎」であり、中性化が進んでいないことがわかり、また曲げ強度も室内に３年置いても初期状態と比べてほとんど変化していないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本実施の形態に係るセメント組成物は、建築及び土木のコンクリート構造物、ＧＲＣ／ブロックなどのセメント製品等耐久性を要するもの全般にその用途がある。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態に係るセメント組成物を用いたコンクリート作成処理の手順を示すフローチャートである。
【図２】実施例１〜５及び比較例１〜７のサンプルの斜視図である。
【図３】実施例１〜１２及び比較例１〜１１の中性化深さを測定する方法を説明するのに用いられる図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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